基于PZT材料的MEMS微執(zhí)行器的幾種技術解析

壓電MEMS通過單片即可實現(xiàn)微執(zhí)行、能量收集、傳感和無線通信，是應用潛力巨大的熱點技術。壓電MEMS微執(zhí)行器能夠精確、自主地執(zhí)行復雜動作如直線、旋轉、加速度、鉗動等，以此完成對極微小器件與結構的納米尺度精確操作。因此，壓電MEMS微執(zhí)行器不但能夠滿足集成微系統(tǒng)（IMS）對自測試性、微定位性和片上操控性的嚴苛要求，同時能夠滿足集成微系統(tǒng)對輸出力矩/體積效能比、響應速度、分辨率、功耗、集成度方面的需求。

2015年開始，以集成微系統(tǒng)任務需求為牽引，通過問題定位、技術分解，確立了基于PZT材料的MEMS微執(zhí)行器研究，目前取得的研究進展包括以下幾個方面：壓電MEMS多自由度微振動臺技術、MEMS慣性傳感器自標定技術、MEMS壓電微馬達技術與PZT材料與微執(zhí)行器長期穩(wěn)定性研究。

1 壓電MEMS多自由度微振動臺技術

壓電MEMS微執(zhí)行器的設計難點包括了大位移與低驅動電壓之間的制約、驅動負載功率與執(zhí)行器薄型化之間的制約、不可避免的工藝誤差帶來的性能退化。針對上述性能提升難點，在不斷的摸索過程中形成和發(fā)展了位移放大機構設計、疊加模態(tài)去耦設計、負載帶寬優(yōu)化等相關技術。同時，根據(jù)多輪次的流片與設計、版圖相互調(diào)整的摸索經(jīng)驗，完成壓電多自由度微振動臺數(shù)學模型研究，建立工藝參數(shù)與器件性能的映射關系，同時結合器件設計優(yōu)化，實現(xiàn)器件設計與工藝制備的協(xié)同優(yōu)化，獲得壓電微執(zhí)行器穩(wěn)定工藝流程與優(yōu)異器件性能。

如圖1所示，制得的多自由度微振動臺芯片，在位移/電壓、執(zhí)行器厚度方面處于國際領先水平。而微執(zhí)行器薄型化、低電壓、位移等指標的進步對于后續(xù)集成和應用具備重要意義。指標對比見表1。

圖1 （a）不同結構微振動臺與（b）動態(tài)測試結果

表1 微振動臺性能參數(shù)及對比

2 MEMS慣性傳感器自標定技術

MEMS慣性傳感器自標定技術主要通過在MEMS慣性傳感器外部集成壓電微振動臺和集成陣列化檢測結構實現(xiàn)閉環(huán)控制能力，可以提供多軸高精度動態(tài)運動特征，從而實現(xiàn)MEMS慣性傳感器使用前原位無自損標定。通過對MEMS慣性傳感器零位與標度因子的漂移、非敏感軸互耦誤差、陀螺儀加速度靈敏度等參數(shù)獲取，在使用前對長期漂移的誤差進行主動補償，能夠從根本上降低對傳感器長期穩(wěn)定性的要求，大幅度降低其成本，極大地拓展MEMS慣性傳感器應用領域。同時，這種原位自標定技術具備通用性，能夠實現(xiàn)對不同類型與結構的MEMS慣性傳感器包括加速度計、陀螺儀以及IMU的無損原位自標定。

基于多自由度微振動臺的進展，目前已完成MEMS加速度計和陀螺儀的自標定流程驗證。并采用光學閾值檢測方法，解決陣列化高精度貼片工藝技術與微弱電流檢測電路設計制備問題，可實現(xiàn)多自由度微振動臺陣列化高精度檢測，下一步期望實現(xiàn)10 nm的振動位移精度檢測。光學檢測樣片與檢測量隨位移的變化如圖2所示。

圖2 光學閾值檢測（a）陣列化結構樣片與（b）檢測量隨位移的變化

圖3 自標定模塊三維集成方案（a）剖面圖與（b）三維圖

圖3是目前設計的自標定模塊三維集成方案，能實現(xiàn)微振動臺、檢測結構、被標定MEMS傳感器之間的機械結構疊層與互聯(lián)，體積小于1立方厘米。圖4為已完成的加速度計與微振動臺的集成樣品及測試情況，解決了機械敏感結構集成應力問題， 有望達到小于100 x 10^6的自標定精度，徹底解決多種MEMS慣性傳感器長期穩(wěn)定性問題。

圖4 加速度計與微振動臺集成（a）初步集成樣片、 （b）封裝樣品與（c）測試結果

3 MEMS壓電微馬達技術

如圖5所示，壓電MEMS微執(zhí)行器在薄型化、低電壓方面的進展提供了新的馬達發(fā)展思路，能夠在極扁平化集成空間中圓片級集成微執(zhí)行器（電機）、轉子、狀態(tài)檢測結構，有望徹底解決傳統(tǒng)超聲馬達固有的體積大、裝配一致性差、無法與其他結構高密度集成等問題。

圖5 微馬達執(zhí)行器顯微結構

目前，國際上現(xiàn)有的研究表明平面可集成微馬達執(zhí)行器尚存在驅動效率（Q值）低、負載驅動能力（位移或輸出力矩）不足等問題。針對上述問題，采用新穎的設計思路，創(chuàng)新提出儲能支撐結構設計、異形電極結構等新型設計。從圖6所示微馬達執(zhí)行器樣片的測試結果可以看出，設計方法切實有效，微馬達執(zhí)行器不但在位移/電壓、Q值兩項指標上國際領先，而且線性度與穩(wěn)定性優(yōu)異，能夠實現(xiàn)對負載的步進旋轉驅動，在輸出力矩、行波驅動效率、集成電壓等方面潛力極大。具體參數(shù)對比見表2。

同時，提出集成化旋轉步進檢測方案，有望進一步解決極扁平化集成需求、高定位精度需求，實現(xiàn)檢測結構與微馬達微執(zhí)行器、轉子的共形集成，期望達到±0.2°的旋轉檢測精度。

圖6 微馬達執(zhí)行器

表2 微馬達執(zhí)行器性能參數(shù)及對比

4 PZT材料與微執(zhí)行器長期穩(wěn)定性研究

長期穩(wěn)定性是微執(zhí)行器的重要運行指標，基于PZT材料的MEMS微執(zhí)行器的長期穩(wěn)定在國內(nèi)尚未有相關文獻報道。影響微執(zhí)行器長期穩(wěn)定的最主要因素在于設計和PZT材料特性， 如何有效的利用PZT材料特性，通過設計方法優(yōu)化，提高微執(zhí)行器長期穩(wěn)定性需要在多輪次流片迭代過程中不斷分析總結。通過界面調(diào)控、組分摻雜、制備優(yōu)化、極化方式優(yōu)化等一系列配合材料性能參數(shù)的設計方法改進，獲得了壓電材料兩個方面性能的優(yōu)化：首先是溫度穩(wěn)定性提升，降低了對工藝溫度的限制，實現(xiàn)了器件性能穩(wěn)定度的提升；另外，通過調(diào)控鐵電回線，獲得了微執(zhí)行器執(zhí)行能力的提升。結果如圖7所示。

圖7 （a）材料溫度穩(wěn)定性測量與（b）鐵電回線調(diào)控

現(xiàn)階段微執(zhí)行器疲勞測試結果如圖8所示，能夠獲得振動次數(shù)高于10^7的穩(wěn)定工作狀態(tài)。目前正在進行多材料體系界面機理研究，探索影響執(zhí)行器疲勞性能的因素，為進一步提高微執(zhí)行長期穩(wěn)定性提升奠定基礎。

圖8 微執(zhí)行器疲勞測試結果

科學意義

本工作以壓電MEMS微執(zhí)行器設計為基礎，以全集成MEMS工藝為手段，制備出性能優(yōu)異的MEMS微執(zhí)行器，掃除了MEMS微執(zhí)行器可能帶來的驅動能量耗散、效率不足、力矩不夠等缺點，填補了集成微系統(tǒng)的執(zhí)行器解決方案空白。在國內(nèi)打破了PZT材料與MEMS技術融合的設計與工藝瓶頸，發(fā)展出包括“MEMS微執(zhí)行器設計與制備、集成化閉環(huán)檢測控制、多結構集成”的壓電MEMS執(zhí)行器模塊能力，率先推進壓電MEMS器件設計、制備、測試標準化、批量化技術，為其應用奠定基礎。

展望

在進一步提高MEMS微執(zhí)行器性能的基礎上，深入研究集成化閉環(huán)檢測控制技術、多結構集成技術，實現(xiàn)慣性傳感器原位自標定模塊與壓電微馬達模塊。一方面，慣性傳感器原位自標定模塊將會帶來MEMS慣性傳感器領域的變革，打破傳統(tǒng)的自標定模式與高成本傳感器芯片優(yōu)化模式，不僅是傳統(tǒng)高精度高穩(wěn)定性高成本MEMS慣性傳感器的替代品，而且發(fā)展出一系列新型應用和變革，包括提供慣導系統(tǒng)的新設計自由度、導航定位、運動載體控制等系統(tǒng)架構變革，能夠降低慣性傳感器乃至慣導系統(tǒng)的維護成本，延長維護周期。另一方面，壓電微馬達技術由于具備低電壓低功耗、高集成度、高精度等優(yōu)點，將廣泛應用于微動作控制部件、微機械裝配維修、納米定位等方面。